壓鑄模具的失效形式及提高其使用壽命的途徑

摘要：分析了壓鑄模具在壓鑄過程中的幾種失效形式和主要影響因素，從壓鑄模的合理設計、壓鑄模材料的合理選用、正確運用熱處理技術、壓鑄模的表面強化技術和壓鑄模的正確使用、維護等方面探討了提高壓鑄模壽命的途徑。

關鍵詞：壓鑄模具；失效；使用壽命

1 引言

近年來壓鑄生產的迅速發展，為汽車、摩托車的大量零部件提供了一種經濟、高效的生產方式。如何提高壓鑄模的使用壽命，歷來是人們所關心的問題。壓鑄模壽命短不但增加產品的成本，而且嚴重影響生產，成為生產上急待解決的關鍵問題。

2 壓鑄壓鑄模的失效形式

2.1 熱疲勞裂紋

熱疲勞裂紋是壓鑄壓鑄模最常見的失效形式，占壓鑄模失效的60％~70％。由于壓鑄過程中壓鑄模反復經受急冷、急熱所造成的熱應力，導致在壓鑄模型腔表面或內部熱應力集中處逐漸產生微裂紋，其形貌多數呈現網狀，又稱龜裂，也有呈放射狀。這些在壓鑄模表面淺層中的微裂紋，一般可以修復掉，如果熱疲勞裂紋深入基體內部，修模會導致壓鑄模尺寸超差，或者由于壓鑄過程中循環次數的增加，熱應力使熱疲勞裂紋繼續擴展成宏觀裂紋，從而導致壓鑄模的失效。熱疲勞裂紋是熱循環應力、拉伸應力和塑性應變共同作用而產生的。塑性應變促進裂紋的形成，拉伸應力促進裂紋的擴展與延伸。因此降低溫度循環幅、增加壓鑄模材料強韌性、形成表面壓應力，均可推遲或延緩熱疲勞裂紋的形成及擴展，從微觀分析，熱疲勞裂紋往往在晶界碳化物、夾雜物集中區萌生，因此鋼質潔凈、顯微組織均勻的優質熱作模具鋼有較高的熱疲勞抗力。

2.2 整體脆性開裂

整體脆性開裂是由于偶然的機械過載或熱過載而導致壓鑄模災難性斷裂。材料斷裂時所達到的應力值一般都遠低于材料的理論強度，由于微裂紋的存在，受力后將引起應力集中，使裂紋尖端處的應力比平均應力高得多。壓鑄模脆性開裂引起的原因很多，諸如壓鑄操作失常引起的機械過載、熱沖擊，壓鑄模設計不合理產生應力集中等等。材料的塑韌性是與此現象相對應的最重要的力學性能。模具鋼中夾雜物的減少，韌性將明顯提高。在實際生產中，整體脆斷的情況較少發生。

2.3 溶蝕或沖蝕

熔融的金屬液以高壓、高速進入型腔，對壓鑄模成形零件的表面產生激烈的沖擊和沖刷，造成型腔表面的機械沖蝕，高溫使壓鑄模硬度下降，導致型腔軟化，產生塑性變形和早期磨損。此外在填充過程中，高溫金屬液中雜質和熔渣對壓鑄模成形表面會產生復雜的化學作用，產生化學腐蝕，熔融金屬液逸出氣泡使型腔發生氣蝕，這些機械和化學磨損綜合作用的結果都在加速表面的腐蝕和裂紋的產生。提高壓鑄模材料的高溫強度和化學穩定性有利于增強材料的抗侵蝕能力。

3 提高壓鑄模壽命的方法

3.1 壓鑄件結構設計要合理

鑄件壁厚設計應盡量均勻，避免產生熱節和結構應力變型，并減少局部熱量集中；在滿足結構強度的前提下應盡量采用薄壁結構；鑄件的轉角處應有適當的鑄造圓角以避免在壓鑄模相應部位形成棱角，使該處產生裂紋和塌陷，同時也有利于改善填充條件；鑄件上應盡量避免出現窄而深的凹穴等，以免壓鑄模的相應部位出現窄而高的凸臺，使散熱條件惡化，并因受沖擊而彎曲、斷裂。鑄件設計應考慮壓鑄模結構工藝與制造工藝的可行性與合理性。

3.2 壓鑄模的設計要正確

壓鑄模是根據壓鑄件的形狀結構來設計的，壓鑄模的各種參數和零件形位公差的計算選取要準確，壓鑄模組成構件要有足夠的剛度以承受鎖模力和金屬液充填時的反壓力。設計澆注系統時應使熔化金屬能平穩自由流入型腔。要盡量防止金屬液正面沖擊或沖刷型芯，減少澆口流入處受到沖蝕。澆注系統設計冷卻水通道系統應保證整個壓鑄模型腔表面的溫度能均勻一致，且通道光滑和平整，多型腔壓鑄模中各澆道的長度、截面積、澆口和溢流口位置應相同。在成型壓力與填充速度得以保障情況下，適當增大內澆口截面積會提高壓鑄模使用壽命。鑲塊的組合形式要能適應熱處理的要求，易損部位處宜采用局部鑲拼法以便更換等。

3.3 合理選取壓鑄模材料

目前，用于壓鑄模的熱作模具鋼主要有鉻熱作模具鋼、鎢熱作模具鋼和鉬熱作模具鋼三類，其中使用最多的是3Cr2W8V鋼和H13鋼(4Cr5MoSiV1)。3Cr2W8V鋼是老牌熱作模具鋼，有7O多年使用歷史，國產壓鑄模使用較多。這是一種含鎢量高達8%的熱作模具鋼，其回火抗力較高，熱強度和高溫耐腐蝕性較好，但其韌性、熱疲勞抗力、抗氧化性均較差，熱膨脹率較大，難以適應現代壓鑄機的高溫高壓、快速溫度循環的工作條件，因而在國外已趨淘汰；國外壓鑄模多用H13鋼，這是美國研制的以合金元素鉻為主的熱作模具鋼，它有良好的韌性、熱疲勞抗力和抗氧化性，經過適當的表面處理后，其使用壽命可達到相當高的水平，現已成為成熟的壓鑄模具鋼獲得廣泛應用，國外90%以上的壓鑄型腔模都是由H13鋼制造。我們應加速推廣H13鋼優質壓鑄模材料的使用，并進一步加強壓鑄模材料的研究開發，在對國外優質壓鑄模材料消化吸收的基礎上，開發出適合我國國情的優質壓鑄模具鋼。

壓鑄模鋼的材質控制至關重要，制造壓鑄模的H13鋼必須是鋼質潔凈，組織均勻，偏析輕微，等向性好的優質鋼。目前國內已能商品化生產H13鋼，但在同樣的壓鑄模設計及壓鑄條件下進口壓鑄模壽命遠高于國產壓鑄模，這是由于國外優質H13鋼的生產過程中采用了一系列先進工藝技術，如通過真空除氣、電渣重熔等精煉技術提高潔凈度，再通過多向軋制或反復墩鍛及采用超細化處理技術，使H13鋼具有優良的內在質量。優質H13鋼的生產是使用上述先進工藝技術的組合，采用單一技術，倒如電渣重熔的H13鋼，雖可有低的雜質含量，但不能達到優質鋼的全面質量指標。因此運用先進冶煉工藝提供更多的高純度壓鑄模具鋼，是國內今后努力的方向之一。

3.4 正確的熱處理工藝和表面強化處理技術

熱處理質量對壓鑄模使用壽命起十分重要的作用。在熱處理時應注意以下幾點：(1)鍛件在未冷至室溫時應進行球化退火。(2)粗加工后、半精加工前，增設調質處理，并于精加工前，安排去應力回火。(3)淬火時注意鋼的臨界點Ac1和Ac3及保溫時間，防止奧氏體粗化。回火時按20mm／h保溫，成型零件淬火后應采用多次的回火。為盡量減少熱應力，壓鑄模在加熱到淬火溫度前必須進行分級多次預熱。(4) 熱處理時應注意防止型腔表面的脫碳，采用真空或保護氣體熱處理，可以減少脫碳、氧化、變形和開裂。

采用表面強化技術提高壓鑄模表層的強度、耐磨性及耐蝕性，可以延長熱裂紋萌生的孕育期， 阻止熱裂紋的擴展， 由此提高壓鑄模的熱疲勞壽命。目前最常用的是表面滲氮強化技術，氮化使壓鑄模表面產生較硬的氮化層，此氮化層有很好的耐磨性和耐腐蝕性，能提高壓鑄模的耐熱疲勞強度和降低摩擦系數，提高壓鑄模壽命，一般采用離子氮化或氣體氮化。

3.5 合理維護使用壓鑄模

生產前進行壓鑄模預熱工作，有助于減少壓鑄模表面和熔融金屬之間的溫度差，降低型腔表層溫度梯度和熱應力，壓鑄模經受熱沖擊的危險性也隨之變小。預熱也可以增加壓鑄模材料的韌性。生產過程中，壓鑄模溫度逐步升高，當溫度過熱時，會造成鑄件產生缺陷、粘?；蚧顒訖C構失靈。降低模溫時需注意冷卻溫度適宜，壓鑄模冷卻劑需加熱到5O℃后再使用，這樣可以減少熱裂。壓鑄模一般均應設置冷卻通道，通進適量的冷卻水以控制壓鑄模生產過程的溫度變化。最好使用壓鑄模溫控系統，使壓鑄模在生產過程中保持在適當的工作溫度范圍內，壓鑄模壽命可以大大延長。

經常保養可以使壓鑄模保持良好的使用狀態。新壓鑄模在試模后，無論試模合格與否，均應在壓鑄模未冷卻至室溫的情況下，進行去應力回火。壓鑄模使用一段時間后應作除應力處理，采用比壓鑄?；鼗饻囟鹊?0～5O℃的溫度保溫2h進行除應力回火，以防止壓鑄模長期受復雜應力相互作用而產生迭加導致壓鑄模扭曲變形，甚至開裂。

4 結束語

現代壓鑄生產向高壓、高速方向發展，對壓鑄模壽命提出了越來越高的要求，要提高壓鑄模壽命，首先應分析壓鑄模的失效形式，然后針對失效形式確定提高壓鑄模壽命的措施。實踐證明，合理設計壓鑄模結構及形狀、正確選擇壓鑄模材料、采用恰當的熱處理工藝及表面強化處理、使壓鑄模在正常的工作條件下工作等措施，均能提高壓鑄模壽命。

參考文獻

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[3]續維.模具鋼材料對壓鑄模壽命的影響[J].五鋼科技,2001,2.

作者簡介：賴華清，男，1964—。常州信息職業技術學院機電工程系，副教授，研究方向：鑄造合金熔煉，模具設計與制造。